江苏激光联盟导读：

可见光显微镜使科学家能够看到微小的物体，例如活细胞。但是，他们无法分辨电子如何在固体原子之间分布。现在，罗斯托克大学极限光子学实验室的Eleftherios Goulielmakis教授和德国Garching的马克斯·普朗克量子光学研究所的研究人员以及中国科学院物理研究所的同事已经开发出一种新型的光学显微镜，称为皮镜，可以克服这种限制。

价电子占材料总电子密度的一小部分，但它们决定了材料基本的化学、电子和光学性质。强激光场可以探测价态电子及其在气相中的动力学。以前对固体进行的激光研究将高谐波发射与晶格中原子的空间排列相关联，并已使用太赫兹场探测原子间势能。然而，固体中价电子的直接皮米级成像仍然具有挑战性。在该研究中，科学家显示出与结晶固体相互作用的强光场可以使皮秒级价电子成像。

图1. 氟化钙晶体中的电子。图片来源：克里斯蒂安·哈肯伯格/罗斯托克大学

固体中高次谐波的产生导致了强场凝聚态物理的许多进步。固体中的高次谐波主要被解释为带内和带间电子非线性驱动的结果。固体中的高次谐波现在被用来探测固体的基本特性，例如带色散、拓扑、动态电导率和晶格中原子的排列。然而，结晶固体的价电子势和密度的直接成像需要在散射的框架内描述固体中的光—物质相互作用通常用于原子级衍射显微镜。现在我们可以理解，激光场可以改变固体的静电势，从而可以用来操纵其电子间隙和结构，从而为材料的光学工程提供了充足的机会。然而，在散射的框架内，对激光和晶体电子的相互作用以及相关的非线性辐射的解释更为苛刻。激光场应该足够强且足够快以有效抑制价晶电势，从而使其成为对激光驱动的电子运动的弱扰动。超快激光脉冲能够使散装固体在其静态介电强度超出多个数量级的场中无损伤地暴露，从而可以实现这种可能性。

研究人员使用了强大的激光闪光照射晶体材料薄膜。这些激光脉冲驱使晶体电子快速摆动。当电子被周围的电子反弹时，它们发射出光谱中极紫外部分的辐射。

研究人员通过分析辐射的特性合成了一些图像，说明电子云是如何以几十皮米的分辨率分布在固体晶格中的原子之间的，这几十皮米是一毫米的十亿分之一。

图3. 探测固体中原子的离子/共价半径

以皮米分辨率对块状固体中的价电子进行直接成像，可以拓宽现代原子尺度显微术的范围，使其包括直接获取物质的化学、电子和拓扑性质。未来的实验，包括在驱动领域的其他光谱范围内的实验，以及皮镜理论前提的详细检查和扩展，将需要验证该技术对更广泛材料的适用性。激光象形镜很容易与时间分辨光谱法结合使用，并且可以以皮秒和阿秒分辨率跟踪同时展开的原子和价电子动力学。它还可以为详细了解物质的相变动力学提供一条途径。

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本文来源：DOI:10.1038/s 11586-020-2429-z,

www.nature.com/articles/s41586-020-2429-z